DE19703728C2 - Polymer electrolyte membrane fuel cell unit with drainage device - Google Patents
Polymer electrolyte membrane fuel cell unit with drainage deviceInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit Polymer- Elektrolyt-Membranen, umfassend eine Entwässerungsvorrichtung, bei der ein aus mindestens einer Einzelbrennstoffzelle bestehender Brennstoffzellenblock jeweils einen Eintritt für ein Brenngas und ein Oxydationsgas sowie einen Austritt für überschüssiges Katho denraumwasser aufweist und am Kathodenraumwasseraustritt ein Was serabscheider angeschlossen ist.The invention relates to a fuel cell unit with polymer Electrolyte membranes comprising a drainage device the one consisting of at least one individual fuel cell Fuel cell block one entry for a fuel gas and an oxidizing gas and an outlet for excess catho denraumwasser and what at the cathode room water outlet serabscheider is connected.
Eine Brennstoffzelleneinheit mit Entwässerungsvorrichtung der vor genannten Art ist bekannt (W. Bette et al. "Entwicklung von Strom quellen mit PEM-Brennstoffzellen"; Tagung "Anwendung von Brenn stoffzellensystemen" 3.11.1994; Haus der Technik in Essen), bei der das flüssige Wasser unter Zuhilfenahme eines Überschusses an Oxydationsgas aus den Kathodenräumen entfernt wird. Um einem zu hohen Verlust an Oxydationsgas entgegenzuwirken, weist die be kannte Brennstoffzelleneinheit mehrere Brennstoffzellenblöcke in einer solchen kaskadenartigen Abstufung auf, daß das in den Was serabscheider für Kathodenraumwasser des einen Brennstoffzel lenblocks gelangende Oxydationsgas einem nächsten Brennstoffzel lenblock zu dessen Versorgung zugeführt wird. Die Anzahl der Ein zelbrennstoffzellen in einem Brennstoffzellenblock muß sich dabei wegen des Verbrauchs an Oxydationsgas von Kaskadenstufe zu Kaska denstufe verringern, bis schließlich am Ende eine Einzel brennstoffzelle übrig bleibt. Das in den Wasserabscheider für diese letzte Kaskadenstufe gelangende Restoxydationsgas wird an schließend abgeführt. Dieses bekannte für PEM(Polymer-Elektrolyt- Membran)-Brennstoffzellen entwickelte Entwässerungssystem ist al lein sinnvoll bei einer hohen Anzahl von Einzelbrennstoffzellen. Überdies bleibt weiterhin ein gewisser Verlust an Oxydationsgas, was insbesondere bei Brennstoffzellen mit reinem Sauerstoff als Oxydationsgas möglichst weitgehend zu vermeiden ist.A fuel cell unit with a drainage device in front type is known (W. Bette et al. "Development of electricity swell with PEM fuel cells "; Conference" Use of Brenn cell systems "3.11.1994; Haus der Technik in Essen), at of the liquid water with the help of an excess Oxidation gas is removed from the cathode compartments. To one To counteract high loss of oxidation gas, the be Known fuel cell unit in several fuel cell blocks such a cascade-like gradation that the what Serabscheider for cathode room water of a fuel cell Oxidation gas reaching the next fuel cell lenblock is supplied to its supply. The number of on Cell fuel cells in a fuel cell block must be there due to the consumption of oxidizing gas from cascade level to Kaska Decrease the level until finally a single fuel cell remains. That in the water separator for this final cascade stage residual oxidation gas is on finally dissipated. This well-known for PEM (polymer electrolyte Membrane) fuel cell developed drainage system is al It makes sense when there are a large number of individual fuel cells. In addition, there remains some loss of oxidizing gas, what especially as fuel cells with pure oxygen as Oxidation gas should be avoided as far as possible.
Das Kathodenraumwasser setzt sich zusammen aus Produktwasser und aus Kondensat der den Reaktionsgasen mitgegebenen Feuch tigkeit. Mindestens eines der Reaktionsgase einer Brennstoffzelle wird in der Regel befeuchtet, um auf diese Weise die Polymermem bran mit der für die Protonenleitfähigkeit notwendigen Feuchtig keit zu versorgen. Wegen des Wassergehalts der Membran und gegebe nenfalls auch wegen der Befeuchtigung des Brenngases, z. B. H2, fällt auch in den Anodenräumen überschüssiges Wasser an, das dann mit Hilfe des Brenngases zu entfernen ist.The cathode room water is composed of product water and condensate of the moisture given to the reaction gases. At least one of the reaction gases of a fuel cell is usually humidified in order to supply the polymer membrane with the moisture necessary for proton conductivity. Because of the water content of the membrane and possibly also because of the humidification of the fuel gas, for. B. H 2 , there is also excess water in the anode compartments, which can then be removed with the aid of the fuel gas.
Für die Entfernung des Anodenraumwassers ist eine Brenn stoffzelleneinheit mit Entwässerungsvorrichtung der eingangs ge nannten Art bekannt, wobei der Brennstoffzellenblock zusätzlich einen Ausgang für überschüssiges Anodenraumwasser aufweist, am An odenraumwasserausgang ein weiterer Wasserabscheider angeschlossen ist und das in den Wasserabscheider für Anondenraumwasser gelan gende Brenngas über eine Brenngaspumpe dem Brenngaseintritt zu rückgeführt ist. Dabei wird durch eine Kompressorpumpe das Brenn gas aus dem Wasserabscheider in die zum Brennstoffzellenblock füh rende Brenngasversorgungsleitung gepumpt. Somit ist also für das Brenngas ein geschlossener Brenngaskreislauf für einen Brennstoff zellenblock gegeben. Bei der bekannten Vorrichtung wurde als wei teres Reaktionsgas Luftsauerstoff genutzt, der nach Durchgang durch den entsprechenden Wasserabscheider in die Atmosphäre abge geben wird.There is a burner for the removal of the anode room water fabric cell unit with dewatering device at the beginning mentioned type known, the fuel cell block additionally has an outlet for excess anode room water, at the An Another water separator is connected to the floor water outlet and that got into the water separator for anonymous room water fuel gas via a fuel gas pump to the fuel gas inlet is returned. The combustion is carried out by a compressor pump gas from the water separator into the fuel cell block pumping fuel gas supply line. So that's for that Fuel gas is a closed fuel gas cycle for a fuel given cell block. In the known device was as white teres reaction gas atmospheric oxygen used after passage through the appropriate water separator into the atmosphere will give.
Bei dieser bekannten Anlage wird zwar der Brenngasvorrat optimal ausgenutzt. Dieser Vorteil wird aber auf der anderen Seite durch eine Verminderung des Leistungsgrades aufgrund der für die Kom pressorpumpe erforderlichen Energie erkauft.In this known system, the fuel gas supply is optimal exploited. On the other hand, this advantage is achieved by a reduction in the level of performance due to the com pressor pump bought necessary energy.
Schließlich ist aus der DE 21 28 537 B2 eine Brennstoffzellenein heit anderer Wirkungsweise, das heißt mit einem flüssigen Elektro lyten (KOH) bekannt, der sich im Betrieb mit Produktwasser anrei chert. Dieser Elektrolyt wird mittels einer Wasserabreicherungs einheit nach dem Diffusions-Kondensations-Prinzip vom Produktwas ser befreit, da ansonsten seine Leitfähigkeit für die (OH)-Ionen nachlassen und die Spannung der Brennstoffzelle sinken würde. Finally, from DE 21 28 537 B2 is a fuel cell other mode of operation, that is, with a liquid electric lyten (KOH) is known, which accumulates in operation with product water chert. This electrolyte is removed by means of a water depletion Unit based on the diffusion-condensation principle of the product It liberates, otherwise its conductivity for the (OH) ions would decrease and the voltage of the fuel cell would decrease.
Hierzu wird Brenngas aus der Zuführungsleitung zur Brennstoffzel leneinheit entnommen, der mindestens einen Kondensationsraum mit nicht poröser Kondensationsfläche aufweisenden Wasserabreiche rungseinheit als Hilfsgas zur Ausbringung des Kondensats zugeführt und anschließend mittels einer Strahlpumpe in die Brenngaszulei tung zurückgeführt. Das in der Brennstoffzelle nicht umgesetzte Brenngas hingegen verläßt ohne Wiederverwertung die Batterie und ist somit für den Energiegewinnungsprozeß derselben verloren.For this purpose, fuel gas from the supply line to the fuel cell len unit taken with at least one condensation space non-porous water areas with condensation surface tion unit as an auxiliary gas for discharging the condensate and then by means of a jet pump into the fuel gas feeder tion returned. That not implemented in the fuel cell Fuel gas, however, leaves the battery and without recycling is thus lost to the energy production process of the same.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoff zelleneinheit der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der die Reaktionsgase weitgehend verlustfrei genutzt werden können, ohne daß durch den Einsatz elektrischer Energie der Wir kungsgrad der Brennstoffzelleneinheit reduziert wird. The invention has for its object a fuel to make available cell unit of the type mentioned at the beginning, in which the reaction gases are used largely without loss can, without the use of electrical energy efficiency of the fuel cell unit is reduced.
Bei einer Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das in den Wasserab scheider gelangende Oxydationsgas über eine durch das in den Brennstoffzellenblock einströmende Oxydationsgas mechanisch angetriebene Oxydationsgaspumpe dem Oxydationsgaseintritt zurückgeführt ist.In a fuel cell unit of the type mentioned the problem is solved in that in the water separating oxidizing gas through a through the in the Oxidizing gas flowing into the fuel cell block mechanically driven oxidation gas pump the oxidation gas inlet is returned.
Regelmäßig werden die Reaktionsgase in Druckbehältern mit einem Druck aufbewahrt, der den Betriebsdruck des Brenn stoffzellenblocks bei weitem übersteigt. Daher ist der Druckabfall in der Versorgungsleitung aufgrund des Antriebs der Oxidationsgaspumpe für den Wirkungsgrad der Brennstoff zelleneinheit unerheblich. Die Ausnutzung der im Vorratsbe hälter aufgrund des Druckes des Oxydationsgases gespeicher ten potentiellen Energie erspart den Einsatz elektrischer Energie für eine Kompressorpumpe.The reaction gases are regularly contained in pressure vessels kept at a pressure that corresponds to the operating pressure of the burner fabric cell blocks by far. Hence the Pressure drop in the supply line due to the drive the oxidizing gas pump for the efficiency of the fuel cell unit irrelevant. The exploitation of the in the storage area container stored due to the pressure of the oxidation gas potential energy saves the use of electrical Energy for a compressor pump.
Ein Entwässerungssystem entsprechend der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit kann für Brennstoffzellenblöcke be liebiger Größe eingesetzt werden. Insbesondere wird unter einem Brennstoffzellenblock im Sinne der Ansprüche auch ein solcher verstanden, der allein aus einer einzigen Brenn stoffzelle besteht.A drainage system according to the invention Fuel cell unit can be for fuel cell blocks any size can be used. In particular, under a fuel cell block within the meaning of the claims such understood that from a single burning fabric cell.
Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenein heit der eingangs genannten Art, bei der der Brennstoffzel lenblock zusätzlich einen Austritt für überschüssiges An odenraumwasser aufweist, am Anodenraumwasseraustritt ein zu sätzlicher Wasserabscheider angeschlossen ist und das in den Wasserabscheider für Anodenraumwasser gelangende Brenngas über eine Brenngaspumpe dem Brenngaseingang zurückgeführt ist, dadurch gelöst, daß die Brenngaspumpe durch das in die Brennstoffzelleneinheit einströmende Brenngas mechanisch an getrieben ist.The above task will be with a fuel cell unit of the type mentioned, in which the fuel cell lenblock additionally an outlet for excess on water in the anode compartment, at the anode compartment water outlet additional water separator is connected in the Water separator for fuel gas entering anode room water returned to the fuel gas inlet via a fuel gas pump is solved in that the fuel gas pump by the in Fuel gas unit inflowing fuel gas mechanically is driven.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2 kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß zusätzlich das in den Wasserabscheider für Kathodenraumwasser gelan gende Oxydationsgas über eine durch das in den Brennstoff zellenblock einströmende Oxydationsgas mechanisch angetrie bene Oxydationsgaspumpe dem Oxydationsgaseintritt zurückge führt ist.The fuel cell unit according to the invention 2 can advantageously also be designed so that in addition that got into the water separator for cathode room water oxidizing gas through a through the in the fuel Cellular inflowing oxidizing gas mechanically driven bene oxidation gas pump returned to the oxidation gas inlet leads is.
Auf diese Weise werden beide Reaktionsgase in einem ge schlossenen Kreislauf geführt, was insbesondere beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit mit reinem Sauerstoff vorteil haft ist.In this way, both reaction gases are in one ge closed cycle, which is particularly true when operating the fuel cell unit with pure oxygen advantage is imprisoned.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheiten können vor teilhaft auch so ausgebildet sein, daß die Brenngaspumpe bzw. die Oxydationsgaspumpe eine Gasstrahlpumpe ist.The fuel cell units according to the invention can partially be designed so that the fuel gas pump or the oxidation gas pump is a gas jet pump.
Mit den bekannten Gasstrahlpumpen wird die mechanische Ener gie der Reaktionsgase auf besonders einfache Weise zum An saugen der zurückgeführten Gasanteile genutzt.With the known gas jet pumps, the mechanical energy gie of the reaction gases in a particularly simple manner suck the recycled gas used.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen einheiten auch so ausgebildet sein, daß die den jeweiligen Wasserabscheider mit der Brenngaspumpe bzw. der Oxydations gaspumpe verbindende Rückführungsleitung einen verschließba ren zusätzlichen Austritt aufweist.Finally, the fuel cells according to the invention units can also be designed so that the respective Water separator with the fuel gas pump or the oxidation return line connecting the gas pump to a closable ba ren has additional exit.
Dieser z. B. über ein Magnetventil verschließbare zusätzliche Austritt ermöglicht ein Spülen des Brennstoffzellenblocks.This z. B. closable via a solenoid valve additional Outlet enables the fuel cell block to be flushed.
Im Folgenden wird anhand von Fig. 1 eine bevorzugte Ausbil dungsform der Erfindung dargestellt.A preferred embodiment of the invention is shown below with reference to FIG. 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellenblock 1 mit einer Entwässerungsvorrichtung dargestellt. Dem Brennstoff zellenblock 1 wird über den Brenngaseingang 2 und über den Oxydationsgaseingang 3 H2 bzw. O2 aus einem hier nicht dar gestellten Druckbehälter zugeführt.In Fig. 1, a fuel cell stack 1 is presented with a dewatering device schematically. The fuel cell block 1 is supplied via the fuel gas inlet 2 and the oxidizing gas inlet 3 H 2 or O 2 from a pressure vessel not shown here.
Das in den Anodenräumen und Kathodenräumen der Einzelzellen des Brennstoffzellenblocks 1 anfallende Wasser sammelt sich der Schwerkraft folgend an der tiefsten Stelle des Anoden raumes bzw. des Kathodenraumes und wird von dort getrennt einem Anodenraumwasserausgang 4 und einem Kathodenraumwas serausgang 5 zugeführt. Die Ausgänge 4 und 5 sind jeweils mit einem Wasserabscheider 6 bzw. 7 verbunden. Mit dem An odenraumwasser und dem Kathodenraumwasser tritt gleichzeitig H2 und O2 aus den jeweiligen Ausgängen 4 und 5 aus. Beide Gase werden über Rückführungsleitungen 8 bzw. 9 dem jeweili gen Gaseingang 2 bzw. 3 zugeführt. Die hierfür erforderliche Pumpleistung wird von zwei Gasstrahlpumpen 10 und 11 aufge bracht.The water accumulating in the anode compartments and cathode compartments of the individual cells of the fuel cell block 1 collects gravity at the lowest point in the anode compartment or the cathode compartment and is fed from there to an anode compartment water outlet 4 and a cathode compartment water outlet 5 . Outputs 4 and 5 are each connected to a water separator 6 and 7 , respectively. With the anode space water and the cathode space water, H 2 and O 2 emerge from the respective outputs 4 and 5 at the same time. Both gases are fed via return lines 8 and 9 to the respective gas inlet 2 and 3 respectively. The pump power required for this is brought up by two gas jet pumps 10 and 11 .
Die Gasstrahlpumpen 10 und 11 sind jeweils in die H2- bzw. O2-Versorgungsleitung 12 bzw. 13 eingebaut. An die Ansaug seite der Gasstrahlpumpe 10 bzw. 11 ist die Rückführungslei tung 8 bzw. 9 angeschlossen. Der für die Ansaugleistung nö tige Druckabfall in der Versorgungsleitung 12 bzw. 13 fällt für den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenblocks 1 nicht ins Gewicht, da in der Regel der Arbeitsdruck in den Brennstoffzellen wesentlich geringer ist als der Druck in den Druckgasbehältern für H2 und O2.The gas jet pumps 10 and 11 are installed in the H 2 and O 2 supply lines 12 and 13, respectively. On the suction side of the gas jet pump 10 and 11 , the Rückführungslei device 8 and 9 is connected. The pressure drop in the supply line 12 or 13 required for the intake power is negligible for the overall efficiency of the fuel cell block 1 , since the working pressure in the fuel cells is generally substantially lower than the pressure in the compressed gas containers for H 2 and O 2 .
Die ständige Entfernung des überschüssigen Wasser bewirkt, daß die Häufigkeit, mit der der Brennstoffzellenblock 1 mit H2 und O2 gespült werden muß, drastisch sinkt. Jedoch wird in der Regel eine Spülung insbesondere wegen der sich in den Brennstoffzellen anreichernden Spurenverunreinigungen nicht völlig entbehrlich. Hierfür sind mit Ventilen 14 und 15 ver schließbare und an die Rückführungsleitungen 8 und 9 ange schlossene Spülausgänge 16 und 17 vorgesehen. The constant removal of the excess water causes the frequency with which the fuel cell block 1 has to be flushed with H 2 and O 2 to drop drastically. However, flushing is generally not completely unnecessary, particularly because of the trace impurities accumulating in the fuel cells. For this purpose, valves 14 and 15 are closable and connected to the return lines 8 and 9 , flushing outlets 16 and 17 are provided.
11
Brennstoffzellenblock
Fuel cell block
22nd
Brenngaseintritt
Fuel gas inlet
33rd
Oxydationsgaseintritt
Oxidation gas entry
44th
Anodenraumwasseraustritt
Anode room water outlet
55
Kathodenraumwasseraustritt
Cathode room water outlet
66
Wasserabscheider
Water separator
77
Wasserabscheider
Water separator
88th
Rückführungsleitung
Return line
99
Rückführungsleitung
Return line
1010th
Gasstrahlpumpe
Gas jet pump
1111
Gasstrahlpumpe
Gas jet pump
1212th
Versorgungsleitung
supply line
1313
Versorgungsleitung
supply line
1414
Ventil
Valve
1515
Ventil
Valve
1616
Spülaustritt
Flushing outlet
1717th
Spülaustritt
Flushing outlet
Claims (5)
- a) ein aus mindestens einer Einzelbrennstoffzelle bestehender Brennstoffzellenblock (1) jeweils einen Eintritt (2, 3) für ein Brenngas und ein Oxydationsgas sowie einen Austritt (5) für überschüssiges Kathodenraumwasser aufweist und
- b) am Kathodenraumwasseraustritt (5) ein Wasserabscheider (7) an geschlossen ist,
- a) das in den Wasserabscheider (7) gelangende Oxydationsgas über eine durch das in den Brennstoffzellenblock (1) einströmende Oxydationsgas mechanisch angetriebene Oxydationsgaspumpe (11) dem Oxydationsgaseintritt (3) zurückgeführt ist.
- a) a fuel cell block ( 1 ) consisting of at least one individual fuel cell each has an inlet ( 2 , 3 ) for a fuel gas and an oxidation gas and an outlet ( 5 ) for excess cathode space water and
- b) at the cathode space water outlet ( 5 ) a water separator ( 7 ) is closed,
- a) the oxidizing gas entering the water separator ( 7 ) is returned to the oxidizing gas inlet ( 3 ) via an oxidizing gas pump ( 11 ) mechanically driven by the oxidizing gas flowing into the fuel cell block ( 1 ).
- a) ein aus mindestens einer Einzelbrennstoffzelle bestehender Brennstoffzellenblock (1) jeweils einen Eintritt (2, 3) für ein Brenngas und ein Oxydationsgas und jeweils einen Austritt (4, 5) für überschüssiges Anodenraumwasser und Kathodenraumwasser auf weist,
- b) , am Anodenraumwasseraustritt (4) und am Kathodenraumwas seraustritt (5) je ein Wasserabscheider (6, 7) angeschlossen ist und
- c) das in den Wasserabscheider (6) für Anodenraumwasser ge langende Brenngas über eine Brenngaspumpe (10) dem Brenngasein tritt (2) zurückgeführt ist,
- a) die Brenngaspumpe (10) durch das in den Brennstoffzellenblock (1) einströmende Brenngas mechanisch angetrieben ist.
- a) a fuel cell block ( 1 ) consisting of at least one individual fuel cell each has an inlet ( 2 , 3 ) for a fuel gas and an oxidizing gas and an outlet ( 4 , 5 ) for excess anode compartment water and cathode compartment water,
- b), at the anode compartment water outlet ( 4 ) and at the cathode compartment water outlet ( 5 ) each a water separator ( 6 , 7 ) is connected and
- c) in the water separator ( 6 ) for anode chamber water ge long fuel gas via a fuel gas pump ( 10 ) enters the fuel gas ( 2 ) is returned,
- a) the fuel gas pump ( 10 ) is mechanically driven by the fuel gas flowing into the fuel cell block ( 1 ).
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